MCU三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理

很多MCU開發(fā)者對(duì)MCU晶體兩邊要各接一個(gè)對(duì)地電容的做法表示不理解，因?yàn)檫@個(gè)電容有時(shí)可以去掉。參考很多書籍，卻發(fā)現(xiàn)書中講解的很少，提到最多的往往是：對(duì)地電容具穩(wěn)定作用或相當(dāng)于負(fù)載電容等，都沒(méi)有很深入地去進(jìn)行理論分析。
? 另外一方面，很多愛好者都直接忽略了晶體旁邊的這兩個(gè)電容，他們認(rèn)為按參考設(shè)計(jì)做就行了。但事實(shí)上，這是MCU的振蕩電路，又稱“三點(diǎn)式電容振蕩電路”，如下圖所示。
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MCU三點(diǎn)式電容振蕩電路

其中，Y1是晶體，相當(dāng)于三點(diǎn)式里面的電感；C1和C2是電容，而5404和R1則實(shí)現(xiàn)了一個(gè)NPN型三極管（大家可以對(duì)照高頻書里的三點(diǎn)式電容振蕩電路）。

接下來(lái)將為大家分析一下這個(gè)電路

首先，上面電路圖中5404必須搭一個(gè)電阻，不然它將處于飽和截止區(qū)，而不是放大區(qū)，因?yàn)镽1相當(dāng)于三極管的偏置作用，能讓5404處于放大區(qū)域并充當(dāng)一個(gè)反相器，從而實(shí)現(xiàn)NPN三極管的作用，且NPN三極管在共發(fā)射極接法時(shí)也是一個(gè)反相器。

其次將用通俗的方法為大家講解一下這個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理。

眾所周知，一個(gè)正弦振蕩電路的振蕩條件為：系統(tǒng)放大倍數(shù)大于1，這個(gè)條件較容易實(shí)現(xiàn)；但另一方面，還需使相位滿足360°。而問(wèn)題就在于這個(gè)相位：由于5404是一個(gè)反相器，因此已實(shí)現(xiàn)了180°移相，那么就只需C1、C2和Y1再次實(shí)現(xiàn) 180°移相就可以了。恰好，當(dāng)C1、C2和Y1形成諧振時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)180移相；最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式就是以地作為參考，諧振的時(shí)候，由于C1、C2中通過(guò)的電流相同，而地則在C1、C2之間，所以恰好電壓相反，從而實(shí)現(xiàn)180移相。

再則，當(dāng)C1增大時(shí)，C2端的振幅增強(qiáng)；當(dāng)C2降低時(shí)，振幅也增強(qiáng)。有時(shí)即使不焊接C1、C2也能起振，但這種現(xiàn)象不是由不焊接C1、C2的做法造成的，而是由芯片引腳的分布電容引起，因?yàn)镃1、C2的電容值本來(lái)就不需要很大，這一點(diǎn)很重要。
? 那么，這兩個(gè)電容對(duì)振蕩穩(wěn)定性到底有什么影響呢？

由于5404的電壓反饋依靠C2，假設(shè)C2過(guò)大，反饋電壓過(guò)低，這時(shí)振蕩并不穩(wěn)定；假設(shè)C2過(guò)小，反饋電壓過(guò)高，儲(chǔ)存能量過(guò)少，則容易受外界干擾，還會(huì)輻射影響外界。而C1的作用與C2的則恰好相反。在布板的時(shí)候，假設(shè)為雙面板且比較厚，那么分布電容的影響則不是很大；但假設(shè)為高密度多層板時(shí)，就需要考慮分布電容，尤其是VCO之類的振蕩電路，更應(yīng)該考慮分布電容。

因此，那些用于工控的項(xiàng)目，建議最好不要使用晶體振蕩，而是直接接一個(gè)有源的晶振。

很多時(shí)候大家會(huì)采用32.768K的時(shí)鐘晶體來(lái)做時(shí)鐘，而不是通過(guò)單片機(jī)的晶體分頻來(lái)做時(shí)鐘，其中原因想必很多人也不明白，其實(shí)上這是和晶體的穩(wěn)定度有關(guān)：頻率越高的晶體，Q值一般難以做高，頻率穩(wěn)定度也比較差；而 32.768K晶體在穩(wěn)定度等各方面的性能表現(xiàn)都不錯(cuò)，還形成了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比較容易做高。另外值得一提的是，32.768K是16 bit數(shù)據(jù)的一半，預(yù)留最高1 bit進(jìn)位標(biāo)志，用作定時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)字計(jì)算處理也非常方便。

編輯：黃飛